Обоснование технологических решений для повышения

На правах рукописи
Дюпин Анатолий Юрьевич
Обоснование технологических решений
для повышения эффективности доработки
остаточных запасов угля на шахтах
Специальность 25.00.22 –
«Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск - 2006
2
Работа выполнена в Закрытом акционерном обществе
«Институт промышленного проектирования угольных предприятий»
(ЗАО «Промуглепроект»)
Научный руководитель -
доктор технических наук
Ногих Сергей Романович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Кулаков Геннадий Иванович
доктор технических наук, профессор
Лудзиш Владимир Станиславович
Ведущая организация – ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»
Защита состоится «_21 » декабря 2006 г. в _12-00_ часов на заседании
диссертационного совета: Д 003.019.01 в Институте горного дела Сибирского
отделения Российской Академии наук по адресу: 630091, г. Новосибирск - 91,
Красный проспект, 54.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН.
Автореферат разослан «20» ноября 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук
Попов Н.А.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На действующих шахтах России область рационального применения эффективных технологий выборочной отработки пластов
ограничена следующими основными горно-геологическими и горнотехническими условиями: угол падения пласта 0-25°, вынимаемая мощность пласта 1,34,5 м, глубина разработки до 600 м, длина выемочных полей 2-4 км, длина очистного забоя до 300 м и др., что подтверждается высокими техникоэкономическими показателями новых и модернизированных шахт Кузбасса.
Однако на действующих низкорентабельных шахтах, построенных или
реконструированных в прошлом веке (в доперестроечный период), возможность применения новых эффективных отечественных и зарубежных технологий и технических средств угледобычи для доработки остаточных запасов угля
весьма ограничена сложной и нерациональной инфраструктурой горного хозяйства.
Одним из основных направлений повышения эффективности угольной
отрасли является переход на новые технологии отработки остаточных запасов
угля посредством использования и модернизации инфраструктуры действующих низкорентабельных шахт на основе концепции и принципов системного
подхода. Однако научные основы декомпозиции технологической системы действующей шахты на структурные элементы и синтеза геотехнологической системы рентабельной шахты нового технико-экономического уровня не разработаны и не реализованы в объёме, достаточном для отработки остаточных запасов угля на действующих шахтах. Необходимо разработать принципы (правила)
конструирования структуры геотехнологической системы, адаптивной к сложным горно-геологическим и горнотехническим условиям остаточных запасов
угля в пределах горных отводов действующих шахт.
В этой связи актуальной научно-практической задачей является разработка и реализация технологических решений для создания геотехнологических
систем шахт, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку остаточных запасов угля в пределах горных отводов действующих и проектируемых
шахтах шахт.
Работа выполнена по программам научно-технических работ и внедрения
новой техники и технологий на шахтах ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», плановых научно-проектных работ ЗАО «Институт промышленного проектирования
угольных предприятий» (“Промуглепроект”) и других отраслевых институтов и
вузов в период 2000-2006 гг.
Целью работы является обоснование технологических решений для создания геотехнологических систем шахт нового научно-технического уровня и
обеспечения эффективной и безопасной отработки остаточных запасов угля в
пределах горных отводов действующих и проектируемых шахт.
Идея работы заключается в декомпозиции существующих прогрессивных геотехнологических шахтных систем и обосновании их элементов для синтеза геотехнологической шахтной системы, адаптивной к горно-геологическим
и горнотехническим условиям участкам пластов с остаточными запасами угля.
Задачи исследований:
− разработать концепцию и принципы декомпозиции существующих и
синтеза новых геотехнологических систем шахт, адаптивных к условиям участков пластов с остаточными запасами угля;
4
− обосновать область применения выборочной и периферийных технологий угледобычи;
− разработать эффективные технологические решения для вскрытия и
подготовки участков шахтного поля с остаточными запасами угля;
− обосновать технологические требования для создания механизированного комплекса сплошной выемки угля в коротком забое на базе безразгрузочных механизированных крепей с самозарубающимися исполнительными органами;
− разработать проектную документацию и реализовать элементы новых
геотехнологических систем на шахтах Кузбасса с остаточными запасами угля.
Методы исследований: анализа и декомпозиции сложных технологических систем действующих шахт, хронометражных наблюдений технологических процессов, статистической оценки надежности технических средств выемочного участка, адаптации прогрессивных технологических решений к параметрам остаточных запасов угля, конструирования прогрессивных технологических схем сплошной выемки угля в коротком забое механизированным комплексом.
Основные научные положения, защищаемые автором:
− концепция декомпозиции существующих и синтеза новых геотехнологических систем шахт с остаточными запасами угля базируется на классификации запасов угля в недрах по признакам соответствия природных условий месторождения области применения традиционных и нетрадиционных технологий угледобычи;
− эффективность технологических решений вскрытия и подготовки участков шахтного поля с остаточными запасами угля обеспечивается реализацией
следующих принципов: минимизация объемов вскрывающих и подготавливающих выработок при максимальном использовании существующих; поддержание выработок для доступа к временно законсервированным участкам; группирование участков шахтного поля по уровню адаптивности к эффективным
существующим, периферийным и перспективным технологиям угледобычи;
− основными требованиями к прогрессивным техническим средствам и
системам разработки пластов с остаточными запасами угля являются: роботизация опасных и трудоемких процессов в очистном забое; сплошная (бесцеликовая) отработка пластов, склонных к газодинамическим явлениям, короткими
забоями; использование полевых выработок при отработке пластов, склонных к
самовозгоранию; интеграция элементов столбовых, камерных и безлюдных
систем разработки; управление кровлей в коротких забоях механизированными
безразгрузочными крепями двойного действия.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:
− представительным объемом (14 шахт Кузбасса) способов и схем вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей, действующих шахт Кузбасса,
принятых для анализа; положительными результатами реализации в условиях
действующих шахт «Абашевская», «Осинниковская», «Юбилейная», «Томская», «Алардинская», «Грамотеинская» в Кузбассе разработанных вариантов
технологических схем вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей.
Новизна научных положений:
− обоснованы критерии и параметры деления балансовых запасов угля в
шахтном поле на адаптивные к высокоэффективным технологиям угледобычи и
5
остаточные: угол падения и мощность пласта, наличие геологических нарушений, склонность угля к самовозгоранию, газоносность углепородного массива,
форма, размеры и пространственное положение участков и блоков в свите пластов;
− разработаны прогрессивные и эффективные в рыночных условиях технологические решения вскрытия и подготовки участков шахтного поля с остаточными запасами угля: минимизация объемов вскрывающих и подготавливающих выработок при максимальном использовании вскрывающих; поддержание выработок для доступа в последующие периоды к остаточным запасам;
выделение на стадиях разработки очередей; вскрытие и подготовка участков с
остаточными запасами угля на мощных пластах полевыми выработками; пространственно-временное расположение в шахтном поле нескольких очистных
забоев, которые отрабатывают одновременно пласты в свите по выборочной
технологии и по периферийным технологиям;
− разработаны технологические требования к роботизированным техническим средствам для выемки участков пластов с остаточными запасами угля
механизированным комплексом: безразгрузочные самоходные механизированные крепи двустороннего действия, самозарубающийся исполнительный орган
стреловидного типа или струг, устройство для разрушения и выпуска угля из
под кровельной толщи при отработке мощных пластов, длина очистного забоя
10-60 м, забойный и завальный конвейеры или желоба при гидротранспорте.
Личный вклад автора состоит в: обосновании концепции и принципов
декомпозиции существующих и синтеза новых геотехнологических систем
шахт; обосновании критериев и параметров для деления балансовых запасов
шахтного поля на адаптивные к современным высокоэффективным технологиям угледобычи и остаточные запасы; непосредственном участии в организации
и проведении хронометражных наблюдений, систематизации и статистической
обработке результатов и обосновании эффективных элементов традиционных и
периферийных технологий; обосновании технологических требований для создания механизированного комплекса бесцеликовой (сплошной) выемки угля
короткими забоями с использованием безразгрузочных самоходных крепей
двойного действия.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные
технологические решения (минимизация вскрывающих и подготавливающих
выработок при максимальном использовании существующих, группирование
участков пластов по уровню адаптивности к технологиям, бесцеликовая
(сплошная) выемка остаточных запасов угля короткими забоями с помощью
роботизированного механизированного комплекса) и технологические требования к роботизированным механизированному комплексу обеспечивают конструирование выемочной техники, адаптивной к остаточным запасам, обеспечивают их эффективную и безопасную отработку.
Реализация работы в промышленности
Результаты исследований использованы при разработке проектов шахт
«Листвяжная», «Грамотеинская» «Томская» «Алардинская» в Кузбассе с проектными показателями: проектная мощность 1500-3000 тыс. т/г, количество одновременно действующих забоев 1-2, суточная нагрузка на очистной забой
5000-10000 т, потери угля при эксплуатации 13,5-31,5 %, удельный объем проведения выработок 2,33-5,14 м на 1000 т добычи, среднемесячная производительность труда рабочего 128-352 т, срок окупаемости инвестиций 1,4-2,6 года.
6
Апробация работы
Основные научные результаты и практические выводы диссертации докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004, Х
Междунар. научно-практич. конф. 23-24 ноября 2004 г, (Кемерово, 2004 г.) Х
конференция «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк, 2005 г.), Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Междунар. научнопрактич. конф. в рамках Междунар. выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг-2006» (Новокузнецк, 2006 г.).
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5
без соавторов.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из 4 разделов, введения и заключения,
изложенных на 173 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 9
таблиц, список литературы из 86 наименований и 2 приложения.
Содержание работы
В первом разделе проведён анализ шахтного фонда действующих, строящихся и проектируемых шахт Кузбасса. Установлено, что в связи с внедрением
технологии выборочной отработки участков угольных пластов в пределах
шахтных полей в последние 10-15 лет коэффициент извлечения балансовых запасов угля снизился с 70-75 до 47-60 %. Соответственно возрастает в пределах
горных отводов действующих шахт доля остаточных балансовых запасов угля:
в подработанных угольных пластах, в зонах геологических нарушений, под затопленными водой выработками, под действующими эндогенными пожарами, в
участках угольных пластов сложной геометрической формы. Низкая адаптивность применения высокопроизводительных технологий подземной угледобычи к условиям залегания пластов с остаточными запасами угля на действующих
низкорентабельных шахтах стала одной из причин ликвидации шахт в период
реструктуризации.
Одним из основных направлений повышения эффективности недропользования за счёт отработки остаточных запасов угля на действующих низкорентабельных шахтах является переход на новые технологии и технические
средства угледобычи, адаптивные к сложным горно-геологическим и горнотехническим условиям предприятий.
Возможность создания и внедрения на угледобывающих предприятиях новых наукоёмких технологий угледобычи подтверждается зарубежным опытом и
результатами исследований, полученными ведущими отраслевыми и академическими институтами и вузами: ИГД им. А.А. Скочинского, КузНИУИ, ИГД
СО РАН, ИПКОН РАН, ВНИМИ, ВостНИИ, МГГУ, КузГТУ, СибГИУ и др.
Комплексные исследования для совершенствования существующих и создания
новых технологий угледобычи провели ведущие ученые и практики в России и
за рубежом: А.С. Бурчаков, Н.К. Гринько, Г.И. Грицко, П.В. Егоров, С.И. Калинин, В.И. Клишин, Г.И. Кулаков, А.В. Лебедев, В.С. Лудзиш, В.П. Мазикин,
О.В. Михеев, А.Д. Рубан, А.В. Сурков, М.И. Устинов, В.А. Федорин, И.Л. Черняк, В.Д. Ялевский и др.
7
В соответствии с актуальностью обоснованы цель и задачи исследований,
решение которых позволило разработать технологические решения и проекты
реконструкции и технического перевооружения низкорентабельных шахт, реализация проектов на предприятиях Кузбасса обеспечила повышение эффективности и безопасности отработки остаточных запасов угля в пределах горных
отводов действующих низкорентабельных шахт.
Во втором разделе разработана концепция и принципы декомпозиции существующих и синтеза новых геотехнологических систем, адаптивных к условиям действующих шахт с остаточными запасами угля.
Предложено классифицировать запасы угля в недрах по признакам соответствия природных условий месторождения области применения традиционных и нетрадиционных технологий подземной угледобычи. В качестве основного классификационного признака принято соответствие условий залегания
пластов в пределах всего лицензированного горного отвода области применения выборочной технологии угледобычи с помощью длинных комплексномеханизированных забоев и периферийных технологий. Все запасы угля в пределах горного отвода разделены на два класса. Общая схема реализации концепции и принципов при создании геотехнологической системы шахты с остаточными запасами угля приведена на рисунке 1.
По результатам оценки выделяются альтернативные варианты системы,
реализация которых возможна при отработке остаточных запасов шахты.
В третьем разделе обоснована область применения выборочной и периферийных технологий угледобычи.
В качестве исходных данных использованы фактические показатели шахт
в период 2001-2005 гг., а также проектов строительства новых и реконструкции
действующих шахт Кузбасса. За последние 10-15 лет на действующих шахтах
Кузбасса проведена полная или частичная модернизация инфраструктуры угледобывающих предприятий посредством реализации следующих мероприятий,
технологических и технических решений: - внедрено новое высокопроизводительное и более надежное импортное или отечественное оборудование на выемочном участке; упрощена инфраструктура шахт; реализована бремсберговая
схема проветривания; реализованы эффективные схемы дегазации выработанного пространства с помощью газоотсасывающих дегазационных вентиляционных или вакуум-насосных установок; разработан и внедрен в паспортах выемочных участков и в проектах шахт комплект нормативных документов.
Для оценки эффективности перечисленных мероприятий, технологических и технических решений был проведен анализ и сравнение результатов работы шахт Кузбасса. Для анализа использованы показатели 12 шахт за период
2001-2005 гг.
На рисунке 2, в качестве примера приведены графики изменения среднемесячной добычи шахты "Абашевская". Как следует из графика, прослеживается закономерность снижения объемов добычи к концу года, что связано не
только с организационными признаками, но и с ограничениями добычи по газу
метану.
Согласно результатам анализа установлено, что техническое перевооружение не привело к росту нагрузки на шахту. На рисунке 3 приведены графики
изменения плановой и фактической среднемесячной добычи угля по шахтам
"Юбилейная" и "Абашевская" в период 2001-2005 гг. Из графиков рисунков 2-3
следует, что объем добычи существенно изменяется как в течение года, так и за
весь период 2001-2005 гг.
8
Существующая геотехнологическая система шахты
Принципы синтеза
геотехнологической
системы шахты с остаточными запасами угля
Минимизация объектов
инфраструктуры шахты
Максимальное использование существующих объектов инфраструктуры
шахты
Существующие технологии угледобычи
Остаточные запасы
угля
Декомпозиция существующих технологий
угледобычи
Природные и техногенные
характеристики остаточных запасов
Выделение элементов
технологии, адаптивных
классам остаточных запасов
Выделение классов и
типов остаточных
запасов угля
Эскизные варианты геотехнологической
системы шахты с остаточными запасами угля
Синтез геотехнологической системы
шахты с остаточными запасами угля
Роботизация опасных и
трудоемких процессов в
очистном забое
Бесцеликовая отработка
пластов, склонных к газодинамическим явлениям
Полевое вскрытие и подготовка угольных пластов,
весьма склонных к самовозгоранию
Интеграция элементов
столбовых, камерных и
безлюдных технологий
Альтернативные варианты геотехнологической
системы шахты
Группирование участков
шахтного поля в соответствии с классификацией
запасов угля
Рациональная геотехнологическая
система шахты с остаточными
запасами угля
Структурные элементы системы
Способ и схема вскрытия
остаточных запасов шахты
Варианты и параметры
системы разработки
Очереди, этапы и пусковые комплексы
Экономические показатели обеспечивают рентабельность шахты
Рисунок 1 – Концепция и принципы создания геотехнологической системы
шахты с остаточными запасами угля
9
Таким образом, технология выборочной отработки участков угольных
пластов на шахтах Кузбасса, несмотря на техническое перевооружение и внедрение импортной техники, не обеспечила достижение показателей, близких к
показателям зарубежных шахт современного научно-технического уровня. В
2005 г. объем добычи угля на шахтах не превысил соответствующий показатель
в 2001 г., а средний коэффициент вариации среднемесячной добычи уменьшился с 37 лишь до 21 %. Установлены причины низкого уровня адаптации зарубежных технологий и техники к условиям шахт Кузбасса для трех групп пластов 1,8 м, 1,8-4,2 м и более 4,2 м.
Добыча, тыс.т/мес.
250
200
150
2001 г.
2005 г.
100
50
декабрь
ноябрь
октябрь
сентябрь
август
июль
июнь
май
апрель
0
Период, мес.
Добыча, тыс.т/мес.
Рисунок 2 – Графики изменения добычи угля на шахте "Абашевская"
400
300
200
100
0
2001
2002
2003
2004
2005
Годы
шахта "Абашевская" (план)
ш."Юбилейная" (план)
ш."Абашевская" (факт)
ш."Юбилейная" (факт)
Рисунок 3 – Графики изменения среднемесячной плановой и фактической
добычи угля на шахтах "Абашевская" и "Юбилейная"
По результатам исследований установлено, что с увеличением количества
очистных забоев стабильность работы шахты возрастает.
10
Обоснованы направления развития периферийных технологий отработки
участков пластов с остаточными запасами угля, в том числе: совершенствование и внедрение комбинированной системы разработки короткими лавами; развитие технологии отработки участков остаточных запасов угля короткими забоями; создание и внедрение роботизированной гидротехнологии.
Исследовано развитие технологии отработки выемочных участков с остаточными запасами угля в структуре геотехнологической системы угольной
шахты. Для исследования эффективности работы очистных комплексномеханизированных забоев (КМЗ) были проведены хронометражные наблюдения, собраны и систематизированы суточные показатели работы КМЗ в течение
2001-2005 гг. на семи шахтах Кузбасса. Для анализа были приняты показатели
очистных забоев в 2001 и 2005 гг. с целью выявления влияния технического перевооружения забоев на простои КМЗ.
Сравнение результатов хронометражных наблюдений в 2001 и 2005гг.
приводилось попарно для одинаковых горно-геологических и горнотехнических условий. Например, на рисунке 4 приведена гистограмма распределения
простоев очистных КМЗ на пласте 16 шахты "Абашевская". Из гистограммы
следует, что замена комбайна 2ГШ-68Б импортным комбайном типа SL-300
привела к увеличению простоев по этому фактору почти в 2 раза (12 % в 2001г.
и 22 % в 2005г.). Замена лавного конвейера Анжера-30 на конвейер КСЮ-271
обеспечила снижение удельного веса простоев в 1,7 раза.
Установлено, что за период 2001-2005 гг. техническое перевооружение
шахт Кузбасса не оказало существенного влияния на надежность технологических систем выемочных участков.
Установлены причины неустойчивой работы длинных комплексномеханизированных забоев (КМЗ) для трех групп пластов 1,8 м, 1,8-4,2 м и более 4,2 м. Например, для пластов мощностью до 1,8 м: несоответствие конструкции импортного комбайна SL-300 условиям залегания угольных пластов с
ложной кровлей и включениями породных прослойков, удельные простои после замены комбайна 2ГШ-68Б на комбайн SL-300 увеличились почти в два
раза; струговая установка по надежности также почти в два раза ниже надежности отечественных комбайнов.
30%
Частота
25%
20%
2001 г.
2005 г.
15%
10%
5%
0%
1
2
3
4
5
Причины простоев
6
1 – выемочная машина, 2 – механизированная крепь, 3 – перегружатель, 4 –
лавный конвейер, 5 – штрековый конвейер, 6 – прочие работы
Рисунок 4 – Анализ причин простоев очистных забоев в 2001 и 2005 гг.
11
Производственная мощность
шахты Aг, млн.т/год
В четвертом разделе разработаны эффективные технологические решения
для вскрытия и подготовки участков шахтного поля с остаточными запасами
угля; обоснованы технологические требования для создания механизированного комплекса сплошной выемки угля в коротком забое на базе безразгрузочных
механизированных крепей с самозарубающимися исполнительными органами;
разработана проектная документация и реализованы элементы новых геотехнологических систем на шахтах Кузбасса с остаточными запасами угля.
Для выделения характерных признаков и параметров участков угольных
пластов с остаточными запасами угля проведен анализ реальной горнотехнической ситуации на действующих шахтах Кузбасса. Всего было изучено состояние шахтного фонда и состояние запасов угля на 14 шахтах Кузбасса.
Проведена статистическая обработка основных показателей работы шахт с
целью установления парной зависимости горно-геологических и горнотехнических параметров, а также объема и качества полезных ископаемых в пределах
шахтного поля. В результате анализа установлено, что достоверность зависимости основных показателей работы шахты и горно-геологических и горнотехнических параметров весьма низкая (коэффициент корреляции 0,2-0,86).
Пределы изменения отношения производственной мощности от проектной
мощности составляют 0,5-1,0.
На рисунке 5 показан график зависимости производственной мощности
шахты от вынимаемой мощности пласта.
Установлено, что для выборочной отработки запасов шахтного поля оптимальной является мощность 1,8-3,5 м. Отработка угольных пластов мощностью 1,3-1,8 м должна проводится с применением струговой выемки угля. Запасы угля на участках пластов мощностью более 4,2 м следует отнести к остаточным.
3,5
2
3
Аг = -16,70+19,59m-5,98m +0,515m +0,0034m
4
3
R = 0,84
Область рационального
применения
выборочной технологии
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
Мощность пласта m, м
Рисунок 5 – График зависимости производственной мощности от вынимаемой мощности пласта
Одной из причин такого отклонения производственной мощности от проектной является включение в состав промышленных запасов остаточных запасов угля, для отработки которых в настоящее время отсутствуют эффективные
технологии угледобычи.
Аналогично были получены зависимости производственной мощности от
вынимаемой мощности пласта, балансовых запасов угля, промышленных запа-
12
сов угля, коэффициента извлечения запасов угля в шахтном поле, относительной метанообильности, максимальной глубины разработки, угла падения пласта. Методом наименьших квадратом была получена зависимость вида:
Аг = f (Ап, Zпр, α, m, kизв, qCH4, H);
(1)
Аг = 1,0202 +0,05 Ап 2 + 0,36 Ап + 0,000013Zпр2 + 0,003Zпр – 0,0132α2 – 0,026α +
+2,5021m – 0,7630m2 +0,0658 m3 + 0,000434 m4 + 0,173kизв –
– 0,0131qCH4 – 0,00063H, R = 0,68
где Аг - производственная мощность шахты млн.т/год; Ап - проектная мощность шахты млн.т/год; Zпр - промышленные запасы угля, млн.т; α - угол падения пласта, град; m – вынимаемая мощность пласта, м; kизв – коэффициент извлечения угля в пределах шахтного поля; qCH4 - относительная метанообильность, м3/т; H – глубина разработки, м; R – корреляционное отношение.
Для поиска оптимальных решений эффективной и безопасной отработки
участков с остаточными запасами угля проведено исследование остаточных запасов угля на действующих шахтах Кузбасса. Для этого были изучены планы
горных работ и проекты строительства и реконструкции 14 шахт Кузбасса (исходные данные приведены в приложениях А и Б) и по каждой шахте или пласту выделены, следующие участки пластов: отработанные; адаптивные к условиям применения выборочной технологии отработки длинными КМЗ; остаточные запасы, адаптивные к условиям применения периферийных технологий.
Учитывая большое разнообразие участков с выборочными запасами угля,
ниже приведены наиболее характерные примеры шахтных полей, и по результатам анализа выделены отличительные признаки и типы участков с остаточными запасами: ОАО "Шахтоуправление "Анжерское", шахта "Томская", шахты “Листвяжная”. В соответствии с результатами исследования остаточных запасов на действующих шахтах проведена типизация участков пластов с остаточными запасами.
По результатам исследований выделены следующие типы участков пластов с остаточными запасами угля: участки пласта неправильной геометрической формы и ограниченных размеров, оконтуренные частично или полностью
очистным выработанным пространством; участки вблизи выхода пластов под
наносы; участки в приконтурной зоне угольных разрезов; участки пластов в зонах геологических нарушений; подработанные пласты после опережающей отработки пластов в свите по выборочной технологии угледобычи; ленточные
угольные целики между отработанными выемочными столбами и блоками, а
также охранные целики угля вблизи капитальных и подготовительных выработок.
Выделенные по результатам исследования перспективные направления
по воспроизводству вскрытых и подготовленных запасов угля для выборочной
их отработки реализованы в проектах действующих и строящихся шахт Кузбасса.
Реализация разработанных технологических и технических решений в
проектной документации позволит отработать остаточные запасы угля участка
"Южный" шахты «Томская» по традиционным технологиям, скорректированным с учетом сложных реальных горно-геологических и горнотехнических условий: склонность угля к самовозгоранию, повышенная дизъюнктивная нару-
13
шенность, разрушение пород кровли БВР разреза "Томусинский", высокая метаноносность углепородной толщи и др.
Разработаны технологические решения для вскрытия, подготовки и отработки участков с остаточными запасами угля. При вскрытии, подготовке и отработке участков остаточных запасов угля неправильной геометрической формы выделены следующие типы участков остаточных запасов: полностью изолированные выработанным пространством на отрабатываемом пласте; полностью изолированные выработанным пространством на отрабатываемом и соседнем сближенных пластах; частично оконтуренные выработанным пространством на отрабатываемом пласте; не отработанный пласт в свите сближенных
пластов (подработанный пласт, пласт мощностью менее 1,3 м, высокозольный
пласт и др.).
Вскрытие полностью изолированного выработанным пространством участка остаточных запасов на отрабатываемом пласте возможно только полевыми
выработками, пройденными из выработок нижележащего пласта или скважинами. При полевом вскрытии отработка участка пласта с остаточными запасами
угля возможна по периферийным технологиям или посредством подземной газификации угля.
Разработаны следующие способы подготовки и системы разработки участков угольных пластов с остаточными запасами угля: с полным оконтуриванием участка подготовительными выработками; с частичным оконтуриванием
участка подготовительными выработками.
В первом случае предлагается проведение подготовительных выработок
по периметру участка с остаточными запасами угля и применение систем разработки с присутствием людей в очистных забоях, проветривание очистных забоев за счет общешахтной депрессии, обеспечение не менее двух выходов из
очистного забоя. При частичном оконтуривании участка с остаточными запасами угля проводятся транспортные выработки. Выемка угля осуществляется
из этих выработок дистанционно с помощью роботизированного агрегата без
присутствия людей в очистном забое.
При подготовке и отработке участка с остаточными запасами угля короткими лавами (рисунок 6). Выемка угля в короткой лаве осуществляется с использованием самоходных безразгрузочных крепей с самозарубающимися исполнительными органами разрушения угля на поверхности очистного забоя.
(рисунок 7). Конструкция крепи включает верхнее перекрытие и нижнее основание, между которыми установлены гидростойки. Перекрытие и основание
могут перемещаться с помощью гусеничного хода. Впереди секции крепи располагается устройство для крепления механизма разрушения угля. В качестве
механизма может быть: стреловидный исполнительный орган с резцовой шнековой коронкой, конвейеро-струг, гидроструг и др. для выемки пласта мощностью более 4,0 м возможен выпуск угля подкровельной толщи на завальный
конвейер с помощью специального исполнительного органа и выпускных люков.
Предлагается две схемы отработки участка с остаточными запасами угля:
с разворотом механизированного комплекса и сохранением выемочных выработок и с формированием выемочных выработок широким подготовительным
забоем и последующей выемкой угольных целиков между выемочными выработками (рисунок 6).
14
а
Блок №2
Конве
йерны
й
штрек
Отработано КЛ
Блок №1
Фланговый ствол
штрек
онный
и
ц
я
л
Венти
Блоковые печи
Центральные стволы
Отработано ДСО
α <15
Отработано ДСО
б
Блок №2
α < 15
Конве
йерны
й
штрек
Фланговый ствол
рек
ый шт
ционн
я
л
и
т
Вен
Блоковые печи
Центральные стволы
Отработано ДСО
Блок №1
Отработано ДСО
- очистной забой
- подготовительный забой
Рисунок 6 – Систем разработки короткими лавами участка с остаточными
запасами угля и выемкой угля комплексом самоходных безразгрузочных крепей с самозарубающимися исполнительными органами разрушения: а – с разворотом комплекса; б – с последовательной подготовкой и отработкой запасов
выемочных столбов
Широкий подготовительный забой включает поверхность забоя, секции
самоходных безразгрузочных крепей с самозарубающимся исполнительным органом, средства транспорта горной массы по забою и выемочным выработкам.
Для формирования вентиляционного и конвейерного штреков возводится литая
полоса шириной, равной высоте выработки.
15
3
1
5
4
7
7
8
8
А
6
2
9
10
4
4
11
8
7
5
6
7
7
7
11
Вид по А
1
1
1
11
11
7
12
7
12
Рисунок 7 – Принципиальная схема роботизированного агрегата дистанционной выемки угля и управления кровлей при отработке участков пластов с
остаточными запасами угля
1 – верхнее перекрытие; 2 – нижнее основание; 3 – передний козырек; 4 –
задний козырек; 5 – режущий орган; 6 – погрузочный орган; 7 – гидростойки; 8
– устройство крепления исполнительного органа; 9 – забойный конвейер; 10 –
завальный конвейер; 11 – гусеничный ход верхний; 12 – гусеничный ход нижний
16
Очистной забой включает механизированный комплекс с секциями самоходной безразгрузочной крепи с самозарубающимся исполнительным органом на каждой секции, средства транспорта горной массы по забою и выемочным выработкам. Такая конструкция комплекса позволяет проводить его развороты, перемонтаж без дополнительных транспортных средств.
При подготовке и отработке участков с остаточными запасами угля по
роботизированным технологиям.
При ограниченных размерах участков с остаточными запасами угля, а
также при частичном оконтуривании участка подготовительными выработками
целесообразно применять роботизированные технологии угледобычи без присутствия людей в очистном забое (рисунок 8). Сущность технологии состоит в
том, что участок с остаточными запасами угля делится подэтажными штреками
на подэтажи или подъярусы. Вентиляционный штрек у верхней границы не
проводится. Из подэтажного штрека с помощью роботизированного агрегата
проводится по восстанию пласта выработка, которая при обратном ходе исполнительного органа агрегата расширяется до ширины 3-5 м. Между камерами
оставляется угольный целик, ширина которого определяется из условия устойчивости пород кровли.
Камера
I
Списано в
забалансовые
запасы
Подэтажный
штрек
I
Фланговый ствол
Центральные стволы
Отработано ДСО
Конвейерный штрек
Отработано ДСО
I-I
Камеры
Целики
Фланговый
ствол
Рисунок 8 – Схема отработки участка с остаточными запасами угля по
роботизированным технологиям
17
Обоснованы следующие технологические требования к выемочному агрегату: длина камеры 100-300 м в зависимости от устойчивости пород кровли;
ширина выработки при прямом ходе агрегата 1,5-2,0 м; исполнительный разрушающий орган механический, с пневмо- или гидроприводом, гидромониторная водная струя или тонкоструйное разрушение; транспорт горной массы шнековый или гидравлический; управление агрегатом дистанционное с обратной
связью; подающий став из составных секций; производительность агрегата 4060 т/ч.
Заключение
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная научно-практическая задача разработки и реализации технологических решений для создания геотехнологических систем шахт, обеспечивающих эффективную и безопасную отработку остаточных запасов угля в пределах горных отводов действующих низкорентабельных шахт, имеющая существенное значение для угольной отрасли.
Основные научные и практические результаты работы заключаются
в следующем:
1. Введено понятие остаточных запасов угля в горном отводе шахты, характеризующихся отсутствием эффективной технологии для их отработки и
следующими горно-геологическими и горнотехническими условиями: угол падения пластов более 25°; мощность угольных пластов m <1,3 м и m > 4,2 м; в
выемочном поле имеются непереходимые механизированными крепями геологические нарушения и опасные зоны; для вскрытия, подготовки и отработки запасов требуется проведение дополнительных мероприятий по осушению и дегазации углепородного массива; уголь весьма склонный к самовозгоранию;
форма и размеры участка пласта не соответствуют геометрии системы разработки длинными столбами.
2. Обоснована концепция создания геотехнологической системы шахты с
остаточными запасами угля, отличающаяся декомпозицией существующих и
перспективных технологий угледобычи, выделением элементов технологий,
адаптивных выделенным по классификации типам запасов, и синтезом на их
основе новой геотехнологической системы шахты, обеспечивающей эффективную и безопасную отработку остаточных запасов угля в шахтном поле.
3. Установлено, что технология выборочной отработки участков угольных
пластов на шахтах Кузбасса, несмотря на техническое перевооружение и внедрение импортной техники, не обеспечила достижение показателей, близких к
показателям зарубежных шахт современного научно-технического уровня
4. Синтез геотехнологической системы шахты с остаточными запасами
угля предлагается осуществлять посредством реализации следующих принципов: минимизация и максимальное использование существующих объектов инфраструктуры шахты; группирование участков шахтного поля в соответствии с
классификацией запасов угля, роботизация опасных и трудоемких процессов и
операций; бесцеликовая отработка пластов, весьма склонных к самовозгоранию, интеграция элементов столбовых, камерных и безлюдных систем разработки.
5. Обоснованы направления развития периферийных технологий отработки участков пластов с остаточными запасами угля, в том числе: совершенствование и внедрение комбинированной системы разработки короткими лавами;
развитие технологии отработки участков остаточных запасов угля короткими
18
забоями посредством сплошной выемки угля без оставления угольных целиков,
управления кровлей безразгрузочными самоходными секциями крепями двустороннего действия, оборудование секций крепи самозарубающимися исполнительными органами; создание и внедрение роботизированной гидротехнологии на базе самоходных агрегатов-роботов.
6. Рекомендуется на шахте, имеющей участки пластов с остаточными запасами угля, иметь в одновременной работе не менее двух очистных забоев,
один из которых проводит отработку запасов по выборочной технологии, а другие отрабатывают участки пластов с остаточными запасами угля.
7. При ограниченных размерах участков с остаточными запасами угля, а
также при частичном оконтуривании участка подготовительными выработками
рекомендуется применять роботизированные технологии угледобычи без присутствия людей в очистном забое. Обоснованы следующие технологические
требования к роботизированному выемочному агрегату для камерно-столбовой
системы разработки: длина камеры 100-300 м в зависимости от устойчивости
пород кровли; ширина выработки при прямом ходе агрегата 1,5-2,0 м; исполнительный разрушающий орган механический, с пневмо- или гидроприводом,
гидромониторная водная струя или тонкоструйное разрушение; транспорт горной массы шнековый или гидравлический; управление агрегатом дистанционное с обратной связью; подающий став из составных секций; производительность агрегата 40-60 т/ч.
8. Обоснованны технологические требования к механизированному комплексу для сплошной выемки угля в коротких лавах и камерах: тип крепи –
безразгрузочные; способ передвижки – гусеничный с перемещением секций в
двух направлениях и разворотом на 180°; исполнительный орган – стреловидного или шнекового типа на каждой секции, конвейероструг или гидроструг;
погрузочный орган – шнекового типа, устанавливается сзади секции для разрушения и выпуска угля подкровельной толщи; забойный конвейер; завальный
конвейер; конструктивная высота крепи – 1800-4200 мм; рабочее сопротивление секции – 7500 кН; ширина захвата – 50-500 мм; коэффициент затяжки кровли – 0,92; шаг передвижки секции крепи – 50-500 мм; тип консоли перекрытия
– управляемая; длина лавы – 10-60 м.
9. Обоснованы и реализованы научно-обоснованные технологические решения в проектах шахт ″Листвяжная″, ″Томская″, ″Алардинская″, что позволило получить следующие показатели и характеристики: проектная мощность
шахты 1500-3000 тыс. т; количество одновременно действующих очистных забоев 1-2; длина очистных забоев 180-300 м; суточная нагрузка на очистной забой 5000 - 10000 т; потери угля при эксплуатации 13,5-31,5 %; удельный объем
проведения подготовительных выработок 2,33-5,14 м на 1000 т добычи; среднемесячная производительность труда 1 рабочего по добыче 128-352 т.
Основные научные и практические результаты диссертации изложены в следующих опубликованных работах:
1. Дюпин А.Ю. Оценка достоинств и недостатков технологии выборочной
разработки перспективных угольных месторождений Кузбасса [Текст] / А.Ю.
Дюпин // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений
полезных ископаемых. Труды X Международной конференции / Сибирск. гос.
индустр. ун-т. – Новокузнецк: СибГИУ, 2005. - С. 3-4.
2. Дюпин А.Ю. Проблемы и задачи угольной отрасли Кузбасса [Текст] / А.Ю.
Дюпин // Уголь. – 2004. – №6. – С. 4-8.
19
3. Дюпин А.Ю. Развитие угольной отрасли Кузбасса в 2003 году и ее дальнейшие перспективы [Текст] / А.Ю. Дюпин // Уголь. – 2004. – №4. – С. 5-7.
4. Дюпин А.Ю. Угольная промышленность Кузбасса – проблемы и перспективы
[Текст] / А.Ю. Дюпин // Уголь. – 2002. – №6. – С. 14-17.
5. Результаты промышленных испытаний технологии струговой выемки угля в
условиях «Шахты «Абашевская» [Текст] / Г.В. Лаврик, А.Ю. Дюпин, С.Р. Ногих, М.К. Дурнин // Уголь. – 2006. – №5. – С. 26-28.
6. Дюпин А.Ю. Разработка и реализация технологических и технических решений для струговой выемки угля на больших глубинах [Текст] / Г.В. Лаврик,
А.Ю. Дюпин, С.Р. Ногих // Наукоёмкие технологии разработки и использования
минеральных ресурсов: Сб. науч. статей, материалы Междунар. научнопрактич. конф. в рамках Междунар. выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг-2006».– Новокузнецк, 2006. – С. 13-20.
7. Результаты испытаний и исследования режимов работы очистного стругового комплекса фирмы “DBT GmbH” [Текст] / Р.П. Журавлев, А.Ю. Дюпин, Г.В.
Лаврик и др. // Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. статей, материалы Междунар. научно-практич. конф. в
рамках Междунар. выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг-2006».– Новокузнецк, 2006. – С. 46-49.
8. Дюпин А.Ю. Угольная отрасль Кузбасса в 2004 году: состояние, проблемы и
перспективы [Текст] / А.Ю. Дюпин // Природные и интеллектуальные ресурсы
Сибири. Сибресурс 2004, материалы Х Междунар. научно-практич. конф. 23-24
ноября 2004 г, ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2004. – С. 6-14.
20
Подписано к печати 14.11. 2006. Формат 60×84 1/16.
Печ. л. 1. Тираж 100. Заказ № 23
Институт горного дела СО РАН
Красный проспект, 54, 630091, Новосибирск
21